[发明专利]一种串列式热声系统

说明书

发明领域

本发明主要涉及一种热声系统，特别涉及一种以热声发动机驱动热声制冷机或热声发电等换能机构的串列式热声系统。

背景技术

热声热机(包括热声发动机和热声制冷机以及热声热泵)从根本上消除了运动部件，使用环境友好的天然工质，并可有效利用低品位热能，因而在空间技术、天然气液化以及环保和制冷工程等方面显示出重要的应用前景。但热声转换效率的提高一直是制约热声热机工程化和商业化的核心技术问题，为解决效率问题，热声热机从最初的驻波型、行波型发展到具有与内燃机效率相媲美的复合型。驻波型热声热机由于依赖于不可逆热声转换过程工作，其效率的提高受到限制。驻波热声制冷机在家用冰箱温区的能效比(COP)仅为0.6；驻波热声发动机的热效率通常也不超过20％。单纯环形圈行波型热声热机由于环路声阻抗低，引起严重的粘性损失和穿梭热损失，实际效率也很低。行驻波复合型热声斯特林发动机虽然可达到30％的热效率，但由于环路存在吉顿(Gedeon)声直流损失，需采取额外的有效抑制声流的手段。在专利号为6,658,862的美国专利中(G.W.Swift.Cascaded thermoacoustic devices.U.S.Patent No.6,658,862，2003.)，记载了一种行驻波级联型热声热机，其结构仅限于在单一的半波长声谐振器内布置驻波热声发动机和行波型热声发动机，但其高阻抗行波区通常过于狭窄，级联级数极为有限，在高频(大于300Hz)振荡情况下的级数通常不超过二级。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，从而提供一种即可以避免声环流损失，又可以实现高效热声转换，利于热声系统的集成化的串列式热声系统。

本发明所提供的串列式热声系统，该系统包括相互串连的至少两级热声装置；

所述第一级热声装置包括：

一个或者至少两个相互并联的λ/2声学谐振器；λ为声波波长；和

装于每个λ/2声学谐振器谐振管内驻波区的一驻波型热声发动机；装于每个λ/2声学谐振器谐振管内高阻抗行波区的行波型热声发动机，所述行波型热声发动机温度梯度与所述驻波型热声发动机的温度梯度相同；

所述最后一级热声装置包括：

一个或者至少两个相互并联的λ/2声学谐振器；λ为声波波长；和

装于每个λ/2声学谐振器谐振管内行波区的行波型热声制冷机或声电换能器，所述行波型热声制冷机的温度梯度与所述第一级热声装置的驻波型热声发动机的温度梯度相反。

本发明所提供的串列式热声系统，还可进一步包括位于第一级热声装置和最后一级热声装置之间并与之串连的中间级热声装置；

所述中间级热声装置包括：

一个或者至少两个相互并联的λ/2声学谐振器；λ为声波波长；和

装于每个λ/2声学谐振器谐振管高阻抗行波区的行波型热声发动机，所述行波型热声发动机温度梯度与所述第一级热声装置的驻波型热声发动机的温度梯度相同。

所述λ/2声学谐振器的谐振管上设有与之相连通的中空环状管；所述中空环状管所在的平面垂直于所述λ/2声学谐振器的谐振管；所述中空环状管与所述λ/2声学谐振器的谐振管相连通的连通交点与所述λ/2声学谐振器的最佳听音点之间距离小于或等于1/8λ，并且满足式p_J/U_J＝ρa/Acot(2πL/λ)，其中p_J为所述中空环状管与所述λ/2声学谐振器的谐振管连通交点的声压，U_J为所述λ/2声学谐振器的谐振管内连通交点处工作媒质的体积流速度，ρ为所述λ/2声学谐振器的谐振管内工作媒质的平均密度，a为所述λ/2声学谐振器的谐振管内工作媒质的声速，A为中空环状管的横截面面积，L为中空环状管的长度；最佳听音点是指谐振管中声压与振荡速度相位差为零的点。

所述中空环状管的形状为圆形、椭圆形或矩形闭合回路环状管。

所述λ/2声学谐振器的谐振管与所述中空环状管的管径比为2-4，所述中空环状管长度与所述中空环状管径的比为8-20；

所述第一级热声装置的λ/2声学谐振器的谐振管的起始端或最后一级热声装置的λ/2声学谐振器的谐振管的末端为开口状，或者安装有谐振腔或移动活塞。

所述中间级热声装置的λ/2声学谐振器的谐振管两端分别连接有谐振腔，即具有哑铃式结构。

所述谐振腔为空心球形或圆柱形谐振腔。